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여러 가지 플립칩 결함의 예

플립칩 결합에는 많은 다양한 공정들이 사용되는데, 결합 구조의 공통적인 특성은 칩이 기판에 면을 마주하고 놓인다는 것과 칩과 기판과의 연결이 전도성 물질의 범프를 통해 이루어진다는 것입니다. 여러 종류의 플립칩 결합에 대한 개략도를 상기그림에 도시하였습니다.
플립칩 기술은 범프의 재질과 형상 및 접속방식에 따라 다음과 같이 정리될 수 있습니다.

플립칩 솔더링 공정

언더필 주입 과정

(1) 솔더 결합에 의한 플립칩 공정
플립칩 솔더링 공정에서 범핑된 칩은 회로기판에 납땜됩니다. 솔더는 예외는 있지만 일반적으로 기판의 패드 영역에 놓여집니다. 미세 피치에 적용하기 위해 솔더는 전기도금, 솔더 잉크젯 또는 solid solder deposition 등에 의해 놓여집니다. 칩을 액체에 담그거나 기판 위의 솔더 접속영역에 액체를 분사하여 점액을 도포합니다. 거친 피치(>0.4mm)에 적용하는 경우는 스텐실 방법에 의해 솔더 페이스트를 위치시킵니다. 칩의 범프는 점액성 페이스트에 잠기고 오븐 속에서 리플로우 되며, 리플로우 공정 후에는 점액을 씻어냅니다. 칩의 한쪽 또는 양쪽 사이드를 따라 칩과 기판 사이의 모세관 현상을 이용해 점성도가 낮은 에폭시인 언더필 물질을 주입합니다. 끝으로 열을 가해 언더필을 경화시킵니다. 언더필 공정 후에 플립칩 결합을 수리하는 것은 일반적으로 불가능하므로, 리플로우 이후 언더필을 하기 전에 테스트를 수행하여야 합니다. 플립칩 솔더링 공정은 다음과 같은 단계로 이루어집니다.
․다이 준비(테스팅, 범핑, 다이싱)
․기판 준비(flux application 또는 solder paste printing)
․pick, alignment 및 place
․점액 클리닝
․언더필 주입
․언더필 경화

열압축과 열초음파 공정에서의 플립칩 결합의 원리

(2) 열압축에 의한 플립칩 결합
열압축 본딩공정에서는, 칩의 범프가 열과 압력에 의해 기판 위의 패드에 본딩됩니다. 이러한 공정에는 칩 또는 기판 상의 골드 범프와 금이나 알루미늄 등의 본딩 가능한 표면이 요구됩니다. 본딩 온도는 골드 본딩의 경우 재료를 무르게 하고 확산본딩 공정을 촉진시키기 위해 보통 300℃ 정도로 높게 합니다. 본딩 압력은 80㎛ 범프 직경에 대해 1N까지 가할 수 있습니다. 높은 본딩 압력과 온도가 요구되기 때문에, 공정은 알루미나나 실리콘 같은 단단한 기판에 한정되며, 아울러 높은 편평도가 요구됩니다. 평행 배열된 높은 정밀도의 본더가 요구됩니다. 반도체 물질이 조기 손상되는 것을 피하기 위해 본딩 압력을 단계적으로 증가시킬 필요가 있습니다.

(3) 플립칩 열초음파(thermosonic) 결합
열압축 본딩공정은 용접공정을 촉진하기 위하여 초음파를 이용할 경우 보다 효율적으로 될 수 있습니다. 초음파 에너지는 픽업(pick-up) 기구로부터 칩 뒷면을 통해 본딩 영역으로 전달됩니다. 열초음파 본딩은 본딩 물질을 무르게 하고 변형되기 쉽게 만들기 위해 초음파를 사용합니다. 열압축과 비교하여 이 방법은 중요한 장점은 낮은 온도와 짧은 시간으로 본딩이 가능하다는 것입니다. 열초음파 본딩의 문제점 중 하나는 실리콘 구멍이 발생할 수 있다는 것인데, 이는 지나친 초음파 진동에 기인한다고 판단됩니다.

전도성 접착제를 이용한 플립칩 결합의 개략도

(4) 접착제(등방성, 비등방성, 비전도성)를 사용한 플립칩 결합
전도성 접착제가 플립칩 결합에서 주석-납 솔더의 대안으로 사용되기도 합니다. 접착제로 본딩된 플립칩은 얇은 두께와 비용 효율성을 갖습니다. 전도성 접착제는 공정이 용이하고, 경화 온도가 낮으며, 본딩공정후 클리닝이 필요없다는 장점을 갖습니다. 비등방성 전도성 접착제는 미세피치 결합을 가능하게 합니다. 상기그림은 등방성 및 비등방성 접착제(ICAs and ACAs)를 사용한 플립칩 본딩의 개략도입니다. 비전도성 점착제가 플립칩 본딩에 사용되기도 하는데, 이 경우에는 결합 표면이 구성요소와 기판 사이의 접착제에 의해 밀착됩니다.
등방성 전도성 접착제는 모든 방향으로 전도가 가능할 정도의 전도성 입자로 채워진 고분자 합성수지 페이스트입니다. 일반적으로 고분자 합성수지는 에폭시이고 전도성 입자는 은이 됩니다. 비등방성 전도성 접착제는 열가소성 플라스틱 또는 b-stage 에폭시의 페이스트 또는 필름입니다. 이것들은 본딩 전에 모든 방향으로 절연이 될 정도의 금속 입자 또는 금속 코팅된 고분자 구체(sphere)로 채워집니다. 본딩 후에 접착제는 z축 방향으로 전도성을 띠게 됩니다. 금속 입자 또는 고분자의 코팅에는 니켈이나 금이 사용됩니다.

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Adhesion Strength는 일반적으로 두 계면의 접착 강도를 의미하며 Test 방법에 따라 다음과 같이 분류 할 수 있습니다.

Die Shear Test

A. Die Shear Strength
상기그림과 같은 방향으로 Shear Stress를 가해 Silicon Die를 밀어줌으로써 접착강도를 측정하는 방법입니다. Die Shear Strength는 상온 및 고온에서 측정이 가능하지만 Large Chip(통상적으로 100X100 sqr.mil 이상)을 상온에서 Test하는 경우, 접착강도가 Silicon Chip의 파괴강도(Fracture Strength)를 능가하기 때문에 Chip이 깨지는 현상이 발생합니다. 이때 장비가 나타내는 치수는 무의미하기 때문에 Large Chip의 경우 고온에서 Test하는 것이 바람직하며, 이를 Hot Die Shear Strength라 합니다. HDSS Test시 경화된 접착제의 강도는 Expose온도와 시간에 따라 민감하게 변하므로 시료를 Heater Block 위에 놓고 일정한 Dwell Time후 Test를 진행하는 것이 중요하며 이것이 Standard Deviation을 낮추고 의미있는 Data를 산출할 수 있는 방법입니다. 일반적으로 Assembly업체에서의 Wirebonding 온도와 시간을 Simulation하여 통상적으로 230℃내외에서 30초 내지 60초의 Dwell Time을 주고 있으며 이는 접착제가 Wirebonding공정에서 받는 Mechanical Force를 견딜 수 있는 충분한 접착강도를 갖고 있는 지를 예측할 수 있는 중요한 방법입니다. 그러나, Small Chip의 경우 고온 접착강도가 매우 약하기 때문에 Hot Die Shear Test는 무의미한 경우가 많습니다.

Lap Shear Strength

B. Lap Shear Strength
상기그림과 같이 Specimen을 Grip의 정 중앙에 고정시키고 접착면이 끊어질 때까지 Tensile Strength를 가하여 Lap Shear Strength를 측정합니다. 이 Test는 Adhesion Strength Test중에서도 매우 유용하게 사용되고 있는 방법이며 Specimen은 Etching된 Aluminum Panel의 Bonding Surface (0.49-0.52 inch2 )에 4mil의 Glass Fiber를 놓고 접착제를 도포해 Overlap시킴으로써 Bondline을 일정하게 유지시켜 만들고 있습니다. Specimen을 당기는 속도는 0.05 inch/min으로 하고는것이 일반적입니다.

Stud Pull Strength Test

C. Stud Pull Strength (상기그림참조)
Stud Pull Test는 Silicon Die와 Stud사이에 Film Adhesive로 접착한 후 Stud를 Silicon Die의 Surface와 90로 잡아당겨 Adhesive의 Tensile Strength를 측정하는 방법입니다.

Peel Strength Test

D. Peel Strength
Peel Strength Test시에는 상기그림과 같이 Foil을 90로 유지하면서 일정한 속도로 잡아당기는 것이 중요합니다(0.5 inch/min정도).

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IPN structure in PSA

1) UV 경화형 semi-IPN 점착제
다양한 산업에서 아크릴 단량체 혹은 올리고머를 활용되고 있습니다.
아크릴 계열의 재료가 가지는 높은 투과성, 무색성, 내황변성, 내산화성 등의 우수한 물성 때문입니다. 하지만 아크릴조성물은 대부분 선형적인 구조를 가지고 있어 내열성이 떨어지게 됩니다. 그러므로 열안정성을 확보하기 위해 다관능성의 아크릴 재료를 활용하여 가교를 시키는 것이 중요합니다.
다양한 연구진들에 의해 접착제가 약한 가교에서는 유체와 같은 흐름성을 보이다가 가교도가 증가할 때 creep 저항성이 급격히 증가함을 밝혀냈습니다. 그리고 다관능성 아크릴레이트들이 free-radical 혹은 cationic 시스템을 통해 매우빠르게 가교 될 수 있음을 확인하였습니다.
일반적으로 가교 과정에 활용되는 다관능성 아크릴레이트에는 trimethylolpropanetriacrylate(TMPTA)와 tetraethylene glycoldiacrylate(TEGDA) 등이 있습니다. 이러한 삼관능성 아크릴레이트는 우수한 접착성능, 표면특성을 보이고 높은 가교도, 빠른 반응성, 내화학성 등을 보입니다.
다관능성 아크릴레이트의 가교는 점착제 내부에서 semi-interpenetrate polymernetworks(IPN) 구조를 형성하게 됩니다.
상기그림은 PSA와 아크릴레이트가 형성하는 IPN구조에 대한 모식도입니다. 이러한 Semi-IPN구조는 점착제가 우수한 내열성을 가질 수있게 해줍니다.

(a) benzophenone in polymer's side chain (b) reaction of hydrogen donor and benzophenone

2) 공중합형-광개시제를 함유한 UV 경화형 접착제
점착제는 가교반응이 일어남에 따라 tack, peel 감소하는 형태의 non-tacky한 재료로 변화하게 되므로 가교밀도는 섬세하게 조정되어야 합니다.
일반적인 고분자의 가교는 추가적인 가교에 의해서 이루어지게 되는데 점착제와 가교제 간의 혼합으로 인한 재료손상의 가능성과 저장성 감소의 문제를 가지게 됩니다. 그렇기 때문에 UV-경화 가능형 점착제에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
4-acryloyloxy benzophenone(ABP)과 Oacryloylacetophenoneoxime(AAPO) 등의 불포화성 광개시제를 활용하여 공중합 점착제를 합성하면 benzophenone이 고분자의 측쇄에 pendant형태로 존재하게 됩니다.
Benzophenone이 점착제의 측쇄에 존재해 hydrogen abstractors 역할을 합니다〔상기그림〕.

3) 광원반응형 HREM(hydrogenated rosinepoxy methacrylate) 연구
로진은 높은 분자량을 가진 천연 acid로써 상호용해성이 있는 물질들의 혼합체입니다.
혼합체중 가장 많은 부분을 차지하는 것은 resin acid로써, 대부분 abietic acid로 이루어져 있습니다.
로진은 접착력을 향상시키고 점도를 조절하는데 활용되는데, 이러한 특성은 alicyclic 구조와 연관이 있습니다. 그러므로 점착제와 로진의 혼합을 통해 점착제의 접착력, 안정성, 투과성 그리고 열적 안정성의 향상이 가능하다. 하지만 로진은 다양한 이성질체 C=C 형태를 가지고 있으며 이는 또한 쉽게 산화 될 수 있어, hydroge nation, polymerization, 혹은 disproportion 등으로 변성시켜 활용하여야 합니다.
Hydrogenated 로진은 첨가제나 개선제로 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 하지만 UV경화시스템에 활용하기 위해서는 아크릴레이트 관능기를 가진 형태로 개질해야 하며 이런 방법을 통해 광원경화형 재료로 활용이 가능합니다.
또한 고분자 사슬 내에 로진 구조를 형성시킴으로서 추가적인 블렌딩 과정 없이 로진이 가지는 장점을 점착제에서 발현 시킬 수 있습니다.

Semiconduct processing

4) 반도체 공정용 UV 경화형 점착제
최근 IT 산업의 고도화에 따라 반도체 공정 또한 보다 효율적이고 신속한 공정이 요구되고 있습니다.〔상기그림〕는 실리콘 웨이퍼의 1차 가공을 거친 후 back-grinding(BG)부터 dicing & pick-up이 되는 과정까지의 공정 과정 순서도입니다.
이 공정과정을 크게 세 단계로 구별하면 BG -> carrier -> dicing 으로 나눌 수 있으며 이 세 공정 모두 점착제에 의해 핸들링 되기 위해, BG단계에서는 연마과정에서 웨이퍼가 그 충격을 견딜 수 있도록 강하게 고정시키기 위해 활용되며, carrier과정에서는 보호용 필름을 통한 이송과정에서의 고정을 위하여 사용되고 dicing과정에서는 다이아몬드 칼 혹은 레이저를 통한 정확한 절단을 위해 점착테이프가 활용됩니다.
여기에 사용되는 점착제는 모두 bonding이 조절되어야 합니다. Bonding 과정에서는 강력한 접착력으로 피착재를 고정시키지만 다음 공정으로 넘어가기 위한 debonding 과정에서는 약한 접착력으로 웨이퍼로 부터 손상없이 제거되어야 합니다.
Bonding-debonding을 제어하기 위하여 광원경화형 올리고머와 일반적인 점착제를 블랜딩하여 광원의 강도를 조절합니다. 이때 광원경화형 올리고머의 관능형태, 광개시제의 비율, 광원 조사 조건 등에 의해 최종적인 점착물성이 변화하게 됩니다.

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